Leichtbau Massivumformteile bieten viele Leichtbaumöglichkeiten

Autor / Redakteur: Oliver Züchner / Stéphane Itasse

Unter dem Schlagwort massiver Leichtbau weist die gleichnamige Initiative auf die Möglichkeiten hin, den Rohstoff- und Energieeinsatz massivumgeformter Kfz-Bauteile zu senken. Doch auch bei Schienenfahrzeugen gibt es ungenutzte Leichtbaupotenziale.

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Bild 1: Ob ICE oder Nahverkehrszug – nach den Autoherstellern entdeckt auch die Bahnindustrie die Vorteile von Massivumformkomponenten für den Leichtbau.
Bild 1: Ob ICE oder Nahverkehrszug – nach den Autoherstellern entdeckt auch die Bahnindustrie die Vorteile von Massivumformkomponenten für den Leichtbau.
(Bild: Deutsche Bahn)

Die Leichtbaumöglichkeiten durch Einsatz optimierter massivumgeformter Bauteile untersuchte die Initiative Massiver Leichtbau zunächst an einem Pkw. Dann folgte 2014/15 eine Nfz-Studie, deren Umsetzung auf der Hannover-Messe vorgestellt wird. Referenzfahrzeug der Studie ist ein Transporter mit 3,5 t Gesamtgewicht (Nutzlast inklusive), 120 kW Leistung, 2,1 l Hubraum und Turbodiesel-Direkteinspritzung. Fazit: Von 2394 kg Fahrzeuggewicht entfielen 845 kg auf massivumgeformte Bauteile, die wiederum ein Einsparpotenzial von 99 kg bieten, zumal in Antriebsstrang und Fahrwerk. Die meisten Vorschläge entfielen dabei auf den konstruktiven Leichtbau, den Massivumformer am besten beherrschen, gefolgt von fertigungsbasierten Konzepten und stofflichem Leichtbau.

Die mit werkstofflichen Optimierungen verbundenen Freigabeprozesse sind zeitaufwendig, doch sie können sich lohnen. So ließen sich beim Getriebe durch festeren Stahl (20NiMoCr6-5 statt 20MoCr4) knapp 2,5 kg von 63 kg einsparen – bei einer Kostensteigerung von weniger als 1 Euro je Kilogramm Mindergewicht.

Höherfester Stahl erlaubt auch Verbesserungen in der Konstruktion

Noch mehr brächte der Einsatz geschmiedeten, allerdings teureren Aluminiums. Beim Vorderachs-Schwenklager etwa könnte durch Verzicht auf gegossenes Eisen das Gewicht um 4,4 kg verringert werden (Bild 2 und 3). Geradezu simpel dagegen ist die Optimierung der 24 Radschrauben des Referenzfahrzeugs durch Einnapfung: 412 g Mindergewicht.

Weitere 2,5 kg Mindergewicht liegen in der Hinterachse. Sie zeigt, dass werkstoffliche, konstruktive und fertigungsbasierte Leichtbauansätze nicht scharf zu trennen sind. So kann mit höherfestem Stahl das Gewicht durch das Material selbst, aber auch konstruktiv verbessert werden, indem die Stärke der Rohrwand in Abhängigkeit von der Belastung modifiziert wird (Bild 4 bis 6). Dafür wiederum ist der Fertigungsablauf zu verändern, hier durch Rundkneten.

Die Einspritzleiste könnte durch höherfesten bainitischen Stahl und die belastungsabhängige Ausführung ihrer Wandstärke um 293 g leichter konstruiert werden (Bild 7 und 8). Für Massivumformer zeigt das Bauteil die Vorteile ihrer Verfahren im Vergleich zur üblicherweise hier verwendeten Zerspanung. Massivumformung bringt mehr Freiheit bei der sehr komplizierten Bauteilgeometrie. Teurer käme das Bauteil aber nicht: Höhere Kosten für Material und Fertigung würden durch verringerten Materialeinsatz und einfachere Prozesse aufgewogen. Denn während beim zerspanten Bauteil die von der Leiste abgehenden Kraftstoffabgänge aufgeschweißt werden, können sie nun zusammen mit der Leiste selbst geschmiedet werden.

Leichtbauveränderungen können hohen Organisationsaufwand bedeuten

Die konstruktiv optimierte Einspritzleiste und weitere 44 Leichtbauideen ermöglichen 23 kg Mindergewicht und wären in zwei, drei Jahren umsetzbar. Das Schwenklager und weitere 79 Ideen würden in drei bis fünf Jahren zu 38 kg Einsparung führen. Allerdings beruhen viele dieser Ideen auf werkstofflichen Verbesserungen, die Komponenten eventuell auch verteuern und damit die Umsetzung erschweren.

Weitere 38 kg Potenzial bieten 204 Ideen, die aber erst in vier bis acht Jahren realisierbar wären, wenn überhaupt. Denn der meist geringen Gewichtsreduktion stehen höhere Produktionskosten sowie Mehraufwand bei Entwicklung und Organisation entgegen. Ein Beispiel ist die Verbindung von der Kardanwelle zum Getriebe, die einige Hundert Gramm Gewicht einbrächte. Da aber zwei Bauteile betroffen sind, müssten mehr Personen und Abteilungen einbezogen werden.

Bahnindustrie setzt ebenfalls auf Leichtbau

Steigende Energiekosten motivieren auch die Schienenfahrzeugbranche, das Fahrzeugleergewicht zu senken. Gerade die längere Fahrzeuglebensdauer macht Gewichtsverringerungen lohnend. Dabei geraten verstärkt geschmiedete Aluminiumbauteile in den Blick, mit denen man in der Branche Erfahrung hat: bei Tragarmen etwa und Wagenkästen. Letztere werden schon länger häufig in Vollalu-Integralbauweise hergestellt. Welche Potenziale Aluminium bietet, hat Bernd Velten, Leiter des technischen Vertriebs des Metallverarbeiters Otto Fuchs KG, für das Drehgestell untersucht, wo bislang Stahlbauteile dominieren. Ein Beispiel: Dämpferkonsolen werden zwischen Drehgestell und Wagenkasten platziert und dienen der Anlenkung der Schlingerdämpfer am Wagenkasten (Bild 9 und 10). Da über die Konsole erhebliche Kräfte in den Wagenkasten eingeleitet werden, erhält die Kastenstruktur am Übergang eine lokale Verstärkung. Sie wird bei Alu-Wagenkästen in Alu ausgeführt, während die Konsolen aus Stahl sind.

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Wird nun Aluminium auch für die Konsole und damit durchgehend verwendet, wird es möglich, die lokale Verstärkung in die Konsole zu integrieren, anstatt sie außen anzuschrauben. Damit entfallen Auslegung, Fertigung und Montage eines separaten Bauteils. Zudem ist die konstruktiv optimierte, funktionsintegrierte Komponente leichter: leichter durch verringerten Materialeinsatz und leichter durch Verwendung von Aluminium.

Dann die Wagenkastengelenke: Sie verbinden die Wagen des Triebzugs und bestehen aus Gelenkträger (mit Drehzapfen) und Gelenkaufnahme. Beide werden jeweils an die Stirnseite der Wagenkästen geschraubt. Bislang sind sie meist aus massiv geschmiedetem Stahl. Denn die Belastungen durch Zug- und Druckkräfte, dazu durch Kräfte infolge der Relativbewegungen der Wagenkästen zueinander, sind hoch. Die Kräfte zwischen den Wagenkästen werden durch einen Drehzapfen und ein Elastomersphärolager, beide aus Stahl, übertragen. So kam das Gesamtgewicht der Bauteilgruppe bei einem Regionalzug auf 393 kg. Durch Einsatz von geschmiedetem Aluminium sowie durch Integration des nunmehr in Alu ausgeführten Drehzapfens in den Gelenkträger konnte das Unternehmen das Bauteilgewicht um 170 auf 223 kg reduzieren (Bild 11 und 12).

Räder bieten aus Kostensicht beste Leichtbaumöglichkeit

Leichte Aluminiumteile bieten sich auch für die Räder an. Denn die Verringerung speziell der ungefederten Massen reduziert nicht nur den Energieverbrauch deutlich. Sie verbessert auch das Fahrverhalten – bei verringerter Belastung von Schienen und Rädern. Dabei ist die Radscheibe bis heute die vielversprechendste Möglichkeit, massiven Leichtbau im Bahnwesen zu realisieren. Die rotationssymmetrische Radkontur erlaubt die rationelle, kostengünstige Fertigung durch ein- oder mehrstufiges Pressen. Im Vergleich zu anderen Anwendungen ergibt sich damit für die Radscheibe die günstigste Relation zwischen Mehrkosten und Mindergewicht.

Da allerdings Aluminium weniger hart und verschleißbeständig als Stahl ist, wird nur die Radscheibe auf diese Weise ausgeführt, nicht der Radreifen. Gleichwohl konnte schon in den 1970er-Jahren bei den Köln-Bonner Eisenbahnen das Radgewicht um 80 kg reduziert werden. Noch besser lässt sich Aluminium bei gefederten Rädern verwenden, wie sie in Nah- und Regionalzügen eingesetzt werden: Zwischen Alu-Radscheibe und Stahlreifen befindet sich eine ein- oder mehrteilige Gummizwischenlage.

Er kürzlich hat Otto Fuchs mit einem Radsatzhersteller ein Alu-Rad für eine Tram konzipiert, das 57 kg Mindergewicht bietet: 42 kg bei der Radscheibe, 15 kg beim Klemmring, der Radscheibe und Radreifen verbindet. Die Mehrkosten von knapp 32 % relativieren sich dabei auf weniger als 5 Euro je Kilogramm eingespartes Gewicht – ein enorm günstiger Wert, verglichen mit anderen Leichtbaukonzepten.

Fazit: Steigende Ansprüche an Komfort, Sicherheit und Ausstattung treiben das Fahrzeuggewicht in die Höhe. Das treibt die Entwicklung des konstruktiven und stofflichen Leichtbaus voran, der im Automobilbau eine längere Tradition als bei den Herstellern von Schienenfahrzeugen hat. Beide Branchen eint, dass beide bei der Nutzung massivumgeformter Bauteile erst am Anfang stehen. Dabei bieten insbesondere Aluminium-Bauteile den Vorteil hoher Korrosionsbeständigkeit, die entsprechende Einsparungen beim Oberflächenschutz ermöglicht, etwa durch die entfallende Verzinkung.

* Oliver Züchner ist Journalist bei der MT-Medien GmbH in 30163 Hannover; weitere Informationen: Industrieverband Massivumformung e.V., 58093 Hagen

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